人工电磁材料界面电磁波的辐射、传输和散射研究

论文摘要

人工电磁材料是由大量人为设计的单元结构排布构成,能够在亚波长尺度上对电磁波特性进行调控,具有很多常规材料所没有的特性,所以也可以称为超材料,人工电磁材料是电磁场与电磁波领域非常重要的分支。人工电磁材料不仅适用于天线,滤波器,传输结构等电磁模块设计,也为凝聚态物理提供了理论验证与模拟实验平台,促进了物理学的发展。近年来引发关注的人工电磁材料的研究对象有:类表面等离极化激元（SSPPs）,人工阻抗表面构成的界面波导,光子拓扑绝缘体,类电磁诱导透明（A-EIT）,全介质人工电磁表面等。本文对这些内容进行理论分析并探索相关应用前景,以不同人工电磁材料交界处的电磁界面特性为主线,研究了电磁波的辐射、激励、传输、散射及谐振问题,主要工作内容如下:（1）研究并验证了SSPPs传输线的辐射现象,设计了小型化SSPPs传输线。SSPPs是一种周期性金属结构与空气界面支持的电磁表面波,由于其辐射现象不明显,在过去的文献中辐射现象往往被忽视。本文研究了SSPPs的辐射机理,建立了其行波天线辐射模型,并设计了梯度电阻加载结构,将有限长度的SSPPs辐射从传输线的总体辐射中分离。理论、仿真与测试结果均表明:平面SSPPs传输线存在辐射,而且是微波波段,尤其是低频波段传输损耗的主要来源,这会给系统带来潜在的串扰信号。利用金属化过孔墙技术,设计了低阻抗槽线与SSPPs的过渡结构,增强了慢波效应,减小了由共面波导馈电的双侧SSPPs传输结构的横向尺寸,为小型化表面波传输线提供了一种有效方案。（2）提出了由槽线、共面波导到具有横电-横磁阻抗特性(ZTE-ZTM)的人工电磁表面构成的阻抗界面波导的过渡结构,解决了如何高效激励阻抗界面波导的难题,为阻抗界面波导在微波波段的实际应用奠定了基础。ZTE-ZTM界面波导始终缺乏有效的激励途径,以往的研究不得不使用探针在界面处进行近场激发,耦合效率很低,因此ZTE-ZTM阻抗界面波导始终无法应用到实际的设计中。本文利用缓变匹配技术,分别设计了由槽线、共面波导转换到ZTE-ZTM阻抗界面波导的宽频段过渡结构,实现了传统的准横电磁模与人工阻抗界面处的线波模式的高效过渡,散射参数与近场分布的测试与仿真结果吻合,计算所得线波模式的色散特性与本征模仿真结果一致。（3）研究了拓扑边界模式对整体晶格形变的免疫性,为无序晶格设计以及相应能带特性研究提供了思路。以往研究已经证明具有C3旋转对称性的六边形晶胞具有谷拓扑带隙,拓扑界面模式的传播对局部晶格的缺陷具有鲁棒性,但整体晶格的无序形变对拓扑边界模式传输的影响尚缺乏研究。本文将蜂窝晶格中每个顶点在一定区域内随机移位,形成了类似泡沫分布的长程无序晶格。仿真和实验研究表明:拓扑边界模式对整体晶格的无序扰动也具有一定的鲁棒性,类似聚合物分布的无序体系依然能保存一定的拓扑特性。随着无序性的增加,光子带隙将变窄。利用3D打印技术设计制备了晶格形变的拓扑界面波导,在微波波段进行了实验,测试与仿真结果一致,在剧烈弯折的结构中,拓扑界面模式依然在带隙内具有显著的传输峰,实验验证了拓扑界面模式能够在无序形变晶格中传播。（4）研究了开口谐振环（SRRs）阵列中的磁感应波,实现了高于SSPPs传输线截止频率的隧穿传播,以此设计新型多通带滤波器;接着提出了利用磁感应梯度人工电磁表面实现无反射的‘局域彩虹’效应,以此设计出新型吸收式带阻滤波器。过去关于隧穿传播的研究集中在孔洞金属波导低于截止频率波段的倏逝波传输,本文在SSPPs传输线两侧加载一维周期性SRRs磁感应传输通道,实现了高于SSPPs截止频率的隧穿传播,为带通滤波器提供了新的实现手段。过去大多数‘局域彩虹’结构依赖于色散设计,不同频率的波在不同区域截止,难以克服反射波,本文提出垂直主传输线的导波方向加载磁感应梯度人工电磁表面,不同波长的波被局限在人工电磁表面中相应的磁感应通路,长时间的振荡显著增强了金属贴片与介质板的吸收率,阻带能量转换为热损耗,反射和辐射可以忽略不计,实现‘局域彩虹’效应并为吸收式滤波器设计提供了新思路,设计了一系列单频、多频和宽带吸收式滤波器作为实例,按照所提方案设计的滤波器阻带抑制特性明显,并保持端口阻抗匹配特性,消除了传统反射式滤波器阻带信号对前级链路的影响。（5）研究了人工电磁表面中的两种强耦合体系,提出了使用硅介质颗粒近场激发金薄膜表面等离激元（SPs）,降低了传统金属颗粒激发结构中的欧姆损耗;此外,设计了基于类磁性局域表面等离激元（spoof-MLSPs）和SRRs的A-EIT人工电磁表面,所得尖锐透明传输谱线具有一定的传感应用的前景。空间波激发低损耗硅介质颗粒的磁偶极子模式,通过近场耦合激发金属-空气界面的SPs模式,仿真所得频谱分裂现象与洛伦兹耦合方程所得理论结果一致。在提出的A-EIT人工电磁表面中,SRRs作为明模谐振器被空间波电场直接激发,spoof-MLSPs为暗模谐振器被SRRs近场磁耦合激发,形成尖锐的透明传输谱线,并伴随大群延时特性,仿真、测试与洛伦兹耦合模型理论解吻合。（6）研究了受晶格调控的全介质人工电磁表面的米散射特性,并在微波波段利用陶瓷颗粒进行了验证,促进了微波波段全介质人工电磁材料的进步。工作在微波波段的人工电磁表面通常依赖金属单元形状设计,基于印刷电路板工艺进行制备,具有单元设计复杂、易腐蚀、易受热形变等缺点。本文研究的全介质人工电磁材料不需改变颗粒几何形状,仅通过调节晶格尺寸即可调节颗粒之间的相互作用,从而调节空间波传输的频率响应特性。此外,陶瓷材料具有低损耗、硬度高、抗腐蚀、耐高温等优势,对高功率低损耗的全介质人工电磁材料设计具有重要意义。本文工作聚焦于界面电磁波的辐射、传输和散射,探究了界面电磁学中的一些关键问题,促进了人工电磁材料理论与应用的发展。

论文目录

摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 人工电磁材料的发展历史

1.2 材界面处的电磁现象

1.2.1 金属-介质界面支持的表面波

1.2.2 光子晶体

1.2.3 光子拓扑绝缘体

1.2.4 人工电磁表面

1.3 本文结构安排

第二章人工电磁材料界面波导

2.1 引言

2.2 类表面等离激元传输线

2.2.1 类表面等离激元传输线及其色散特性

2.2.2 辐射现象

2.2.3 过孔墙技术的应用

2.3 人工阻抗表面构成的界面波导

2.3.1 人工电磁表面的阻抗

2.3.2 阻抗界面波导中的线波模式

2.3.3 准横电磁模式与线波模式的匹配技术

2.4 本章小结

第三章无序形变晶格中的拓扑边界模式

3.1 引言

3.2 谷拓扑绝缘光子晶体

3.3 形变晶格的统计分析法

3.4 拓扑界面波的传输

3.5 本章小结

第四章混合传输结构

4.1 引言

4.2 磁感应传输线

4.3 平行于主传输线导波方向进行加载

4.3.1 隧穿效应

4.3.2 类表面等离激元传输线的周期势垒与谐振隧穿

4.4 垂直于主传输线导波方向进行加载

4.4.1 吸收式滤波器

4.4.2 梯度人工电磁表面中的局域彩虹现象

4.5 本章小结

第五章强耦合系统

5.1 引言

5.2 经典力学中的耦合谐振子

5.3 表面等离激元的近场激发

5.3.1 常见的表面等离激元激发方案

5.3.2 利用硅纳米颗粒的近场激发技术

5.4 明暗模磁耦合的类电磁诱导透明

5.4.1 类电磁诱导透明

5.4.2 类局域表面等离激元

5.4.3 磁谐振类电磁诱导透明人工电磁表面

5.5 本章小结

第六章晶格调控的全介质人工电磁表面

6.1 引言

6.2 米散射中的多极子谐振模式

6.3 晶格调控的散射

6.3.1 仿真

6.3.2 实验

6.4 本章小结

第七章总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

致谢

参考文献

作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 徐之遐

导师: 殷晓星

关键词: 人工电磁材料,表面波,光子晶体,拓扑绝缘体,表面等离激元,耦合模型,米散射

来源: 东南大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 东南大学

分类号: O469

DOI: 10.27014/d.cnki.gdnau.2019.004048

总页数: 105

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